基于热力学模型的超临界氢密度计量及供氢过程研究

论文总字数：34273字

摘 要

深冷高压储氢技术是一种新型的物理储氢技术，其储存的氢是一种极端物理状态下的氢。它成功地结合了气态储氢不易排放和液态储氢密度大的优点，已经成为技术研究的新方向。但针对其密度计量方法的研究极少，本文便根据此技术的特点研究其密度计量的建模方法和计算结果，力图实现matlab模型对汽车耗氢状况准确连续的跟踪。

具体做法是在认识超临界氢特性的基础上查阅技术资料完成建模的以下几个步骤：整车参数建模、汽车行驶状态的动力学分析、供氢流量的计算、容器热力学模型的建立。最后根据试验资料验证模型计算的准确性。最终使得本理论模型对工业生产具有参考价值。

在此基础上，研究容器的初始热力学工况对汽车行驶状态的影响。实质是通过加注燃料的工况预测汽车的行驶以及储罐长期储氢的性能，最终以图表的方式进行描述。这些研究对于低温环境下的储氢实验具有指导意义，同时将推动深冷高压储氢技术相关标准的建立。

主要创新之处在于，研究了一种利用初始压力和初始温度确定储氢密度，并成功通过了实验数据验证的密度计量方法。此外，探讨了容器温度和容器压力这两个影响因素不同工况下的相对强弱情况。此外，本文还结合预测结果，从容器初始热力学状态的角度，为实现长期储氢的目标提出了定性建议和可参考定量指标。

关键词：超临界氢；深冷高压储氢；密度计量方法；休眠期；车载系统

ABSTRACT

Cryogenic high-pressure hydrogen storage technology is a new type of physical hydrogen storage technology, which stores hydrogen in an extremely physical state. the advantages of compressed gas hydrogen storage method and liquid hydrogen storage method were gathered by this technology .now a new direction of technical research has been found through the research. However, researches on its density measurement method is not fully developed.In this paper I study the modeling method and calculation results of density measurement according to the characteristics of this technology, and tries to realize the accurate and continuous tracking of the hydrogen consumption status of the vehicle by the matlab model.

The specific method is to review the following steps of modeling the technical data on the basis of understanding the characteristics of supercritical hydrogen: vehicle parameter modeling, dynamic analysis of vehicle driving state, calculation of hydrogen supply flow, and establishment of container thermodynamic model. Finally, the accuracy of the model calculation is tested on the basis of the experimental results. Ultimately, this theoretical model has reference value for industrial production.

On this basis, the influence of the initial thermodynamic conditions of the container on the driving state of the vehicle is studied. The essence is to predict the driving performance of the car and the long-term hydrogen storage performance of the tank through the fueling condition, and finally describe it in a graphical manner. These studies have guiding significance for hydrogen storage experiments in low temperature environments, and will promote the establishment of relevant standards for cryogenic high pressure hydrogen storage technology.

The main innovation is , a density measurement method using initial pressure and initial temperature to determine the hydrogen storage density and successfully passed the experimental data verification has been found usefully. In addition, the relative strengths of the two factors of the container temperature and the container pressure under different working conditions are discussed. In addition, this paper also combines the prediction results, from the perspective of the initial thermodynamic state of the container, to provide qualitative recommendations and reference quantitative indicators for the goal of long-term hydrogen storage.

Key words: super-critical hydrogen;cryo-compressed hydrogen storage ; density measurement method; dormancy ; vehicle system

目 录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.1.1氢的利用 1

1.1.2 氢燃料电池技术的特点 1

1.1.3 车载储氢技术分类 1

1.1.4 储氢密度计量方法 7

1.2 选题意义 7

1.3课题关键问题及难点 7

1.3.1 关键问题 8

1.3.2 技术难点 8

1.4文献综述 8

1.5 主要研究内容及方案论证 11

1.5.1 研究内容 11

1.5.2 方案论证 11

1.5.3 进度安排 12

第二章 深冷高压储氢系统的建模 13

2.1 储氢系统建模原理与流程 13

2.2 超临界氢的状态描述 15

2.2.1 超临界氢 15

2.2.2 气体状态方程 15

2.2.3 氢相图 15

2.3 燃料电池汽车的动力系统 16

2.3.1 FCV动力系统的结构原理 16

2.3.2 FCV动力系统的能量流动 17

2.4 动力学模型的建立 17

2.4.1 建模流程 17

2.4.2 整车参数 18

2.4.3 效率参数 18

2.4.4 汽车行驶时的牵引力 18

2.4.5 汽车行驶的功率计算 19

2.5 输氢流量的计算 19

2.5.1 输氢质量 20

2.5.2 输氢流量 20

2.5.3 燃料电池转化的电能 20

2.5.4 功率与输氢流量的联系 21

2.6 热力学模型的建立 21

2.6.1 热力学状态的确定 22

2.6.2 工况边界条件 22

2.6.3 建模流程 23

2.6.4 Matlab离散方法 24

2.6.5热力学建模步骤 24

2.7 储氢容器性能稳定性的指标 25

2.7.1 休眠期 25

2.7.2 许用压力 25

2.8模型计算结果的验证 25

2.8.1 电池堆组功率 25

2.8.2 单位功率的输氢流量 27

第三章 储氢模型的工况应用与分析 28

3.1 设计工况的选取依据 28

3.1.1储存工况与加注工况的联系 28

3.1.2储氢质量的变化趋势 30

3.2 储罐热力学工况对行驶状态的影响 31

3.2.1 温度改变 31

3.2.2 压力改变 34

3.3 储罐加注工况对储存状态的影响 36

3.3.1 温度和质量确定时休眠期的变化情况 37

3.3.2 温度和压力确定时休眠期的变化情况 38

3.3.3 临界休眠期 39

第四章 总结与展望 42

4.1 总结 42

4.1.1行驶工况 42

4.1.2储存工况 42

4.2 改进 42

4.3展望 43

参考文献 44

致 谢 46

第一章 绪论

1.1选题背景

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